JP2018079542A - Motor hand with force sensor and method for control thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータにより把持部を開閉動作させて対象物を把持し、把持する力を検出する力センサを把持部に設けたモーターハンドとその制御方法に関する。 The present invention relates to a motor hand provided with a force sensor for detecting a gripping force by opening and closing a gripping portion by an actuator and detecting a gripping force, and a control method thereof.
力センサ付モーターハンドは、いくつかの提案がされており、特許文献1には、対象物を把持するフィンガー部に力センサを設けることにより、把持力を広範囲に安定して正確に検出することを可能にしている。フィンガー部が対象物に接触するとフィンガー部に加わった力が力センサにより検出され力検出値が設定された力接触値を超えたことを判別すると、位置フィードバック制御から力フィードバック制御に切り替わる。力フィードバック制御で、力検出値を設定された力目標値に一致するようにアクチュエータを駆動することで、正確な把持力で対象物を把持できる電動ハンドが記載されている。 Several proposals for a motor hand with a force sensor have been made, and Patent Document 1 discloses that a force sensor is provided in a finger portion for gripping an object to stably and accurately detect a gripping force over a wide range. Is possible. When the force applied to the finger part is detected by the force sensor when the finger part comes into contact with the object and it is determined that the force detection value exceeds the set force contact value, the position feedback control is switched to the force feedback control. An electric hand that can grip an object with an accurate gripping force by driving an actuator so that a force detection value matches a set force target value by force feedback control is described.
特許文献2には、ロボット本体に設けられたアームの先端に設けられ、第1の指部と第2の指部とを有するエンドエフェクターに加わる力を検出する力検出部があり、力検出部により検出された力に基づいて、第1の指部と第2の指部とを近づけ、第1の指部が把持対象物と接触すると、当該接触した状態を保ったままアームを第1の指部が設けられた方向へ移動させる。これにより、対象物の形状に関する情報がなくても、ハンドの中心とワークの中心位置とを近づけることができる。その結果、短時間で適切に対象物を把持することができるロボットが記載されている。 Patent Document 2 includes a force detection unit that detects a force applied to an end effector having a first finger unit and a second finger unit, provided at the tip of an arm provided in a robot body. When the first finger part and the second finger part are brought close to each other based on the force detected by the above and the first finger part comes into contact with the grasped object, the arm is held in the first state while keeping the contacted state. Move in the direction in which the finger is provided. Thereby, the center of the hand and the center position of the workpiece can be brought closer without the information on the shape of the object. As a result, there is described a robot that can appropriately hold an object in a short time.
ハンドの基本動作は、対象物を把持して搬送することにあり、対象物を複数の把持部で挟む構造のハンドが一般的に使用される。ガラスなどの壊れやすい又は軽い対象物や、鉄などの硬い又は重い対象物を共通のハンドで搬送しようとすると対象物毎に把持力を調整する必要があり、大きさや重さ異なる複数の種類の対象物に対して自動的に対応することはできない。 The basic operation of the hand is to grip and carry the object, and a hand having a structure in which the object is sandwiched between a plurality of gripping units is generally used. When trying to transport a fragile or light object such as glass, or a hard or heavy object such as iron with a common hand, it is necessary to adjust the gripping force for each object. It cannot automatically deal with objects.
異なる対象物を把持するには、対象物毎のクランプ位置や、把持力、硬さを設定する必要があり、対象物の形状や、重さや、表面の接触抵抗(摩擦抵抗)の違いによって、最適な力の閾値などを設定するには時間がかかり困難であるという問題点がある。 To grip different objects, it is necessary to set the clamping position, gripping force, and hardness for each object. Depending on the shape, weight, and surface contact resistance (friction resistance) of the object, There is a problem that it takes time and difficulty to set an optimal force threshold and the like.
特許文献1に記載の発明では、対象物を把持するには、力センサにより検出される力検出値を設定された力目標値に一致させることで把持できるようにしている。この場合、対象物を把持する力の目標値を事前に設定する必要があり、対象物の形状や、重さや、表面の接触抵抗を調べて最適な力の目標値を求めるのに時間がかかる問題がある。 In the invention described in Patent Document 1, in order to grasp an object, the force detection value detected by the force sensor can be matched with a set force target value. In this case, it is necessary to set the target value of the force for gripping the object in advance, and it takes time to find the optimal target value of the force by examining the shape, weight, and surface contact resistance of the object. There's a problem.
特許文献2に記載の発明では、対象物の形状に関する情報がなくても、ハンドの中心とワークの中心位置とを近づけて、短時間で適切に対象物を把持することができる。把持終了条件として、この時のハンドの把持力は事前に設定している一定値以上である場合である。よって、対象物を把持するのに適切な把持力を設定する必要があり、上記と同様に、対象物に対応した最適な把持力の設定値を求めるのに時間がかかる問題がある。 In the invention described in Patent Document 2, even if there is no information related to the shape of the object, the center of the hand and the center position of the workpiece can be brought close to each other and the object can be appropriately gripped in a short time. The gripping end condition is that the gripping force of the hand at this time is equal to or greater than a predetermined value set in advance. Therefore, it is necessary to set an appropriate gripping force for gripping the object, and there is a problem that it takes time to obtain an optimal gripping force setting value corresponding to the object as described above.
そこで、本発明は、対象物の形状や、重さや、強度の情報がなくても、短時間で適切に対象物を把持することができるようになるモーターハンドとその制御方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a motor hand and a control method for the motor hand that can appropriately grasp the object in a short time without the information on the shape, weight, and strength of the object.
本発明は、把持部を開閉動作することにより対象物を把持するモーターハンドにおいて、前記把持部に設けられ、前記把持部の開閉方向に作用する力を検出する力検知部と、前記把持部を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、前記駆動部の位置を制御する位置制御部と、前記駆動部の力を制御する力制御部を備えることを特徴とするモーターハンドである。 The present invention relates to a motor hand that grips an object by opening and closing a gripping portion, the force detection portion that is provided in the gripping portion and detects a force acting in the opening and closing direction of the gripping portion, and the gripping portion. A motor hand comprising: an actuator to be driven; a drive unit that drives the actuator; a position control unit that controls a position of the drive unit; and a force control unit that controls the force of the drive unit.
前記力検知部は前記把持部に設けられた少なくとも1つの力センサであり、クランプ動作を行うことで、前記力検知部である力センサから力センサ値と、前記位置制御部による移動させた駆動部の移動量からエンコーダ値と、前記力制御部により駆動部に加えられた力から付加トルク値を検出することを可能としている。そして、それぞれの値を記録し、モーターハンドを移動させたときに対象物を把持しているかを光電スイッチなどの外部センサーで把持していることを確認する。把持していなければ、再度付加トルク値を上昇させて、一定量の締め込みを行い、モーターハンドを移動させて対象物を把持しているかを確認していき、把持部で対象物を把持可能となるまで各値を上昇させていき、適切に対象物を把持できるまでこの工程を繰り返すことにより、適切な把持ができる値を設定する。その結果、異なる対象物を把持するときに、対象物の形状や、重さや、接触抵抗など分からなくても、短時間で適切に対象物を把持することができる。 The force detection unit is at least one force sensor provided in the gripping unit, and by performing a clamping operation, a force sensor value from the force sensor that is the force detection unit and a drive moved by the position control unit It is possible to detect the additional torque value from the encoder value from the movement amount of the part and the force applied to the drive part by the force control part. Each value is recorded, and it is confirmed that an external sensor such as a photoelectric switch holds the object when the motor hand is moved. If it is not gripped, increase the additional torque value again, tighten a certain amount, move the motor hand to check whether the target is gripped, and grip the target with the grip Each value is increased until the value becomes, and this step is repeated until the object can be properly gripped, thereby setting a value that allows proper gripping. As a result, when grasping different objects, the object can be grasped appropriately in a short time without knowing the shape, weight, contact resistance, etc. of the object.
上述したように、本発明によれば、複数の対象物に対して共通のハンドで搬送する時に、対象物の形状や、重さや、強度の情報がない状態でも、短時間で適切に対象物を把持することができるようになるモーターハンドとその制御方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, when a plurality of objects are transported with a common hand, the object can be appropriately obtained in a short time even when there is no information on the shape, weight, or strength of the object. It is possible to provide a motor hand and a control method thereof.
以下、本発明の実施の形態を図1〜4に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の力センサ付モーターハンドの一例を説明する概略構成図である。このモーターハンド1は開閉式の把持部10を2つ持つ。アクチュエータ12は、図示しないモーター、タイミングベルト、台形ネジ、台形ナット、リニアガイドからなる駆動機構であり、モーターの回転をタイミングベルトにより減速し、台形ネジ、台形ナット、リニアガイドにより直進動作に変換しています。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a motor hand with a force sensor according to the present invention. The motor hand 1 has two open / close gripping portions 10. The actuator 12 is a drive mechanism comprising a motor (not shown), a timing belt, a trapezoidal screw, a trapezoidal nut, and a linear guide. The rotation of the motor is decelerated by the timing belt, and converted into a linear motion by the trapezoidal screw, trapezoidal nut, and linear guide. It is.
アクチュエータ12により、把持部10が直進移動して開閉動作をし、把持部10に力センサ11が設置されている構造になっており、力センサ11から力センサ値を検出する。矢印15は把持部10の動作方向を表しており、開閉移動することで対象物2を把持する。 The actuator 12 moves in a straight line by the actuator 12 to open and close, and the force sensor 11 is installed in the grip 10. The force sensor 11 detects the force sensor value. An arrow 15 represents an operation direction of the gripping unit 10 and grips the target object 2 by opening and closing.
位置制御部13は、アクチュエータ11の移動量を検出するエンコーダである。モーターの回転角度を検出することでエンコーダ値を検出している。 The position control unit 13 is an encoder that detects the amount of movement of the actuator 11. The encoder value is detected by detecting the rotation angle of the motor.
力制御部14は、モーターハンド1を制御するコントローラである。力制御部14からの把持指令に基づき、本発明の係る対象物2の把持動作を実行する。力制御部14に内蔵されているアンプより、モーターから伝わる付加トルク値を検出している。 The force control unit 14 is a controller that controls the motor hand 1. Based on the grip command from the force control unit 14, the gripping operation of the object 2 according to the present invention is executed. An additional torque value transmitted from the motor is detected by an amplifier built in the force control unit 14.
図1では、把持部10に設置されている力センサ11は2つだが、2つの把持部10には向きは異なるが同じ大きさの把持力が作用する場合は、力センサは1つでも良い。また、把持部10は対象物を対称に挟むように設置されているので把持部10は2つだが、向きは異なるが同じ大きさの把持力が作用する場合なら、把持部の数を3つや、4つに増やしても良い。また、モーターの回転をリニアガイドの直進動作に変換する機構であれば、ほかの機構でも良い。 In FIG. 1, two force sensors 11 are installed in the gripping unit 10, but when the gripping force of the same magnitude is applied to the two gripping units 10, the force sensor 11 may be one. . In addition, since the gripping unit 10 is installed so as to sandwich the object symmetrically, the number of the gripping units 10 is two. However, if the gripping force of the same magnitude is applied, but the number of gripping units is three. You may increase to four. Other mechanisms may be used as long as the rotation of the motor is converted into the linear guide linear motion.
図2は、本発明の実施形態の構成図である。アクチュエータ32は把持部30を開閉移動することで対象物を把持する。把持部30が対象物に接触した時の力は、力検知部31で検出される力センサ値であり、把持部30の移動量は、位置制御部33で検知されるエンコーダ値である。アクチュエータ32は図示しないモーターを内蔵しており、駆動部34により駆動される。駆動部34は、力制御部35であるコントローラ内臓のアンプであり、把持部が対象物に加える把持力として付加トルク値を検出する。 FIG. 2 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention. The actuator 32 grips the object by opening and closing the grip portion 30. The force when the grip unit 30 comes into contact with the object is a force sensor value detected by the force detection unit 31, and the amount of movement of the grip unit 30 is an encoder value detected by the position control unit 33. The actuator 32 incorporates a motor (not shown) and is driven by the drive unit 34. The drive unit 34 is an amplifier with a built-in controller that is the force control unit 35, and detects an additional torque value as a gripping force applied to the object by the gripping unit.
図3は、本発明で検出できる値の推移図である。T01は、モーターハンドの把持動作開始を表し、T02は、モーターハンドの開閉動作により、対象物に接触したときを表し、T03は、モーターハンドが把持を完了したときを表す。 FIG. 3 is a transition diagram of values that can be detected by the present invention. T01 represents the start of the gripping operation of the motor hand, T02 represents the time when the object is touched by the opening / closing operation of the motor hand, and T03 represents the time when the gripping of the motor hand is completed.
力制御部から検出できる付加トルク値は、T01の時に、初期抵抗分だけ多くの力を加えた後、T02までは一定の値である。T02に達してからは、T03に達するまで徐々に値を上げ、T03後は、一定の値となる。 The additional torque value that can be detected from the force control unit is a constant value until T02 after applying a large amount of force corresponding to the initial resistance at T01. After reaching T02, the value is gradually increased until reaching T03, and after T03, the value is constant.
位置制御部から検出できるエンコーダ値は、T01から付加トルク値に従い一定の推移で上昇し、T02に達してからは、対象物を締め付ける分だけわずかに値を上昇させ、T03後は、把持状態を維持するために一定となる。 The encoder value that can be detected from the position control unit increases with a constant transition from T01 according to the additional torque value. After reaching T02, the encoder value is slightly increased by the amount that the object is tightened. It is constant to maintain.
力検知部から検出できる力センサ値は、T01からT02まで、対象物に接していないので検出されない。T02からT03までは、硬いものでは急激に上昇し、軟らかいものでは緩やかに上昇していく。T03後は、把持状態を維持するために一定となる。 The force sensor value that can be detected from the force detector is not detected from T01 to T02 because it is not in contact with the object. From T02 to T03, it rises sharply when it is hard and gradually rises when it is soft. After T03, it becomes constant in order to maintain the gripping state.
図4は、本発明の実施形態のフローチャートである。把持指令開始したら、モーターハンドが対象物を把持可能な位置まで移動する。移動後、力制御を開始し、モーターを駆動させていき、位置制御を行って対象物に接触するまで把持部を開閉動作させる。対象物に接触したら、力検知部が力センサ値を検出し、力センサ値の上昇の推移から対象物の硬度を判定し、与える付加トルク値の目標値を決定する。目標値になったら、ハンドの移動を行う。この時、光電スイッチなどの外部センサーを用いて、対象物を把持しているのかを確認する。把持をしていない場合、把持失敗時の力センサ値を記憶し、その値よりも大きな値で再び把持動作を行う。把持動作が成功するまでこれを繰り返す。対象物の把持に成功した場合、成功回数が3回未満の場合、同じ力センサ値で再び把持動作を開始する。把持成功回数が3回になった時に、その時の付加トルク値、エンコーダ値、力センサ値の各閾値を記憶して初期位置に戻って把持指令に対する動作を終了する。今回の例では、把持成功回数は3回にしているが、成功回数は任意に変えても良い。 FIG. 4 is a flowchart of an embodiment of the present invention. When the grip command is started, the motor hand moves to a position where the object can be gripped. After the movement, force control is started, the motor is driven, position control is performed, and the gripper is opened and closed until it comes into contact with the object. When the object is touched, the force detection unit detects the force sensor value, determines the hardness of the object from the transition of the increase in the force sensor value, and determines the target value of the additional torque value to be applied. When the target value is reached, move the hand. At this time, an external sensor such as a photoelectric switch is used to check whether the object is being gripped. When not gripping, the force sensor value at the time of gripping failure is stored, and the gripping operation is performed again with a value larger than that value. This is repeated until the gripping operation is successful. When the object has been successfully gripped, if the number of successes is less than 3, the gripping operation is started again with the same force sensor value. When the number of successful grips reaches 3, the threshold values of the additional torque value, encoder value, and force sensor value at that time are stored, the process returns to the initial position, and the operation for the grip command is terminated. In this example, the number of successful grips is three, but the number of successes may be arbitrarily changed.
以下、各ステップについて説明する。
[S01]把持指令に従い、指定の位置までモーターハンドの移動を開始する。
[S02]把持動作を開始してモーターを駆動させる。
[S03]モーターの駆動に伴い、対象物に接触するまで把持部の移動を行う。
[S04]把持部が対称部に接触したのかを力センサ値が検知する。
[S05]対象物の締め付け時の力センサ値の上昇量が緩やかなのかを判断する。緩やかな場合(YES)、S06に移行し、緩やかではない場合(NO)、S07に移行する。
[S06]対象物を軟らかいものと判断し、付加トルク値を小さい値にする。2回目以降の場合は、前回記憶した値よりも大きい値にする。この時の変化量は小さい。
[S07]対象物を硬いものと判断し、付加トルク値の値を大きい値にする。2回目以降の場合は、前回記憶した値よりも大きい値にする。この時の変化量は大きい。
[S08]対象物を把持したまま、持ち上げ動作を行う。
[S09]持ち上げ動作後のモーターハンドが対象物を把持しているのかを外部センサで確認する。把持していない場合(NO)、S10に移行し、把持している場合(YES)、S11に移行する。
[S10]把持失敗時の力センサ値を記憶し、再び把持動作を最初からやり直す。
[S11]把持成功回数を記憶し、成功回数が3回かどうか確認する。3回未満の場合(NO)、対象物を元の位置に戻し、再度把持動作を開始する。3回の場合(YES)、対象物を元の位置に戻し、付加トルク値、エンコーダ値、力センサ値の各閾値を記憶し、初期位置にハンドを戻して動作を終了する。
Hereinafter, each step will be described.
[S01] In accordance with the grip command, the movement of the motor hand is started to the designated position.
[S02] A gripping operation is started to drive the motor.
[S03] As the motor is driven, the gripper is moved until it contacts the object.
[S04] The force sensor value detects whether the gripping part has contacted the symmetrical part.
[S05] It is determined whether the amount of increase in the force sensor value during tightening of the object is moderate. If it is gradual (YES), the process proceeds to S06, and if not gradual (NO), the process proceeds to S07.
[S06] The object is determined to be soft, and the additional torque value is set to a small value. In the second and subsequent times, the value is larger than the previously stored value. The amount of change at this time is small.
[S07] The object is determined to be hard, and the value of the additional torque value is increased. In the second and subsequent times, the value is larger than the previously stored value. The amount of change at this time is large.
[S08] A lifting operation is performed while holding the object.
[S09] The external sensor checks whether the motor hand after the lifting operation is holding the object. If it is not gripped (NO), the process proceeds to S10, and if it is gripped (YES), the process proceeds to S11.
[S10] The force sensor value at the time of gripping failure is stored, and the gripping operation is restarted from the beginning.
[S11] The number of successful grips is stored, and it is checked whether the number of successes is three. If less than three times (NO), the object is returned to the original position, and the gripping operation is started again. In the case of three times (YES), the object is returned to the original position, the threshold values of the additional torque value, encoder value, and force sensor value are stored, the hand is returned to the initial position, and the operation is terminated.
1 モーターハンド
2 対象物
10 把持部
11 力センサ
12 アクチュエータ
13 位置制御部
14 力制御部
15 可動方向
30 把持部
31 力検知部
32 アクチュエータ
33 位置制御部
34 駆動部
35 力制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor hand 2 Object 10 Gripping part 11 Force sensor 12 Actuator 13 Position control part 14 Force control part 15 Movable direction
30 Gripping part 31 Force detection part 32 Actuator 33 Position control part 34 Drive part 35 Force control part
Claims (3)
3. The motor hand according to claim 1, wherein the object is obtained from a force sensor value that can be detected from the force detector, an encoder value that can be detected from the position control unit, and an additional torque value that can be detected from the force control unit. A method for controlling a motor hand with a force sensor, comprising: a step of determining the hardness of the object; and a step of determining whether the value is such that the object can be gripped.
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